雙通道轉速測量儀器設計

劉 朔，谷玉海，王倪珂

（北京信息科技大學現(xiàn)代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

轉速是各種旋轉機械的一個重要的狀態(tài)參數(shù)[1]，精密離心機、高精度數(shù)控機床等精密旋轉設備對電機轉速有著極高要求[2]，為了保證機械設備正常的運轉，精確地測量出電機運轉的速度成為了關鍵。所設計的雙通道轉速測量儀采用了電感式接近開關，能夠用非接觸的方式對機械軸的轉速進行精確的測量，在LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）顯示屏上顯示轉速以及頻率，并且能夠將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機，對數(shù)據(jù)進行進一步分析，得到更多關于機械轉速的信息。

1 測量原理

由于接近開關具有可靠性高、抗干擾能力強、頻率響應快、定位精度高、使用壽命長等特性[3]，在對金屬導體進行轉速的非接觸試測量時，通常用接近開關作為感應模塊。電感式接近開關的測量原理主要是電渦流效應[4]，當有金屬導體靠近接近開關時，由于電渦流效應，無需機械接觸及施加任何壓力，接近開關就能迅速發(fā)出電氣指令，控制電路使開關產生動作。本文采用的電感式接近開關如圖1所示。

圖1 接近開關

2 測量電路設計

2.1 總體設計

本文設計的轉速測量儀由主控電路、接近開關接口電路、LCD顯示電路、頻率/轉速轉換開關電路、RS232接口電路、供電電路組成，如圖2所示。

2.2 主控電路的設計

主控單元的設計采用STM32F030F4芯片。主控單元對接收到的來自接近開關的脈沖信號進行處理，計算出機械軸轉動的頻率以及速度，然后由主控單元將計算所得的結果發(fā)送至LCD屏幕并在其上顯示，主控單元也可以通過RS232接口電路將接收到的脈沖信號發(fā)送至計算機，在計算機上對脈沖信號進行進一步分析，得出更多有關于被測物體轉動的相關信息。

圖2 總體電路設計

2.3 接近開關電路的設計

當金屬導體靠近或者遠離接近開關時，接近開關的狀態(tài)會發(fā)生變化，輸出相應的脈沖信號，在接近開關的脈沖輸出端口加上接近開關接口電路（圖3）。若脈沖信號的電壓＜3.3 V，則三極管發(fā)射極正偏，與單片機相連的集電極電壓與脈沖信號電壓相等，若脈沖信號的電壓＞3.3 V，則三極管集電極反偏，與單片機相連的集電極電壓為3.3 V，這樣就能夠對接近開關直接輸出脈沖信號進行整形，最終輸出方波如圖4所示。

圖3 接近開關電路

圖4 接近開關電路輸出波形

2.4 供電電路的設計

供電電路如圖5所示，采用了型號分別為HT7150和HT7133的穩(wěn)壓器，將輸入的12 V電壓分別轉換為6 V和3.3 V的電壓，電容C1，C2，C3用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾。當輸入或輸出端短路時，二極管D0給電容器一個放電通路，防止穩(wěn)壓器損壞，達到防接反的效果。

3 軟件設計

圖5 供電電路

測轉速的本質是測量測速電路輸出的脈沖信號的頻率，常用測量頻率的方法有測周期法和測頻法[5]，本文采用測周期法來測量脈沖信號的頻率。測周期法是在接近開關輸出的一個脈沖周期內對高頻的基準時鐘進行計數(shù)來獲得被測速度值[6]。兩個相鄰的脈沖信號的間隔時間的測量是借助單片機計數(shù)器對已知頻率的時鐘脈沖計數(shù)實現(xiàn)的。設時鐘頻率為f，單片機計數(shù)器的值為m，2個位置脈沖間的時鐘脈沖個數(shù)為M。其轉速n=f/m×60/M；其頻率fx=f/m/M。

4 實驗

將接近開關固定在支架上，在被測的旋轉物體上粘貼磁鐵，將接近開關擺放在距離磁鐵約2 mm處，如圖6所示，使被測物體開始轉動，接通測速儀電源，打開電源開關。當撥片開關撥至轉速一側時候，實驗結果如圖7所示。當撥片開關撥至頻率一側時，實驗結果如圖8所示。當用信號發(fā)生器向測速儀發(fā)送如圖9所示的頻率為2.6 Hz的脈沖信號時，測速儀也能夠測量出脈沖的頻率，并計算出被測物體在相應頻率下的轉速，如圖10和圖11所示。

5 結論

經(jīng)過實驗論證后可以得出，所設計的轉速測量儀能夠通過接近開關以及測量電路精確地測量出旋轉物體的速度，可以將其運用到各種機械軸的轉速測量以及各種需要對速度控制和檢測的地方，是通用的智能儀表，且成本低、運行穩(wěn)定可靠、精度較高，具有一定推廣價值。

圖6 接近開關擺放示意

圖7 轉速測量

圖8 頻率測量

圖9 信號發(fā)生器發(fā)送脈沖頻率

圖10 脈沖信號頻率測量

圖11 相應轉速測量